KR100498560B1 - mold of plastic microchip and methode thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라스틱 마이크로 칩용 제조틀 및 제조방법에 관한 발명이다. 본 발명의 목적은 종래의 반도체공정 중 사진공정을 이용하지 아니하고, 반도체 공정 장비를 요구하지 않아 플라스틱 마이크로칩의 제조에 있어서 연구시간의 절감 및 비용절감을 제공하며, 생산 장소의 제약을 받지 않는 플라스틱 마이크로칩 제작용 주형틀을 제조하는 방법 및 상기 방법을 이용한 주형틀을 제공하기 위함이다. 본 발명은 플라스틱 마이크로칩용 주형틀의 제조방법에 있어서 레이저가공방법을 이용하여 채널패턴을 가공한 메탈마스크를 제조하는 제1단계와 상기 메탈마스크상에 PDMS(polydimethylsiloxane)를 주입하고 경화시켜 PDMS양각틀을 제조하는 제2단계 그리고, 상기 PDMS 양각틀을 상기 메탈마스크와 이형시키고, 이형된 PDMS양각틀 표면에 C4F8를 코팅하는 제3단계로 이루어진다.The present invention relates to a manufacturing frame and a manufacturing method for a plastic microchip. The object of the present invention is to provide a research time and cost savings in the manufacture of plastic microchips by not using a photographic process in the conventional semiconductor process and does not require semiconductor process equipment, and is not restricted by the production site. It is to provide a method for manufacturing a mold for producing a microchip and a mold using the method. The present invention provides a first step of manufacturing a metal mask processed channel pattern by using a laser processing method and a PDMS embossed mold by injecting and curing PDMS (polydimethylsiloxane) on the metal mask using a laser processing method. To prepare a second step, and the PDMS embossed mold release to the metal mask, and a third step of coating a C 4 F 8 on the surface of the mold release PDMS.

Description

플라스틱 마이크로칩용 주형틀 및 제조방법.{mold of plastic microchip and methode thereof} Molding mold for plastic microchip and manufacturing method.

본 발명은 플라스틱 마이크로 칩용 제조틀 및 제조방법에 관한 발명이다. 특히 상세히 말하면, 제조시간을 단축하고 비용절감을 이루며 제작장소의 제약을 받지않는 플라스틱 마이크로 칩용 주형틀 및 제조방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a manufacturing frame and a manufacturing method for a plastic microchip. In particular, the present invention relates to a mold and a manufacturing method for a plastic microchip that reduces manufacturing time, achieves cost reduction, and is not restricted by a manufacturing place.

플라스틱 마이크로 칩은 수 ㎠ 크기의 플라스틱에 미세 유로를 형성한 후 전기 영동법 또는 펌프를 이용하여 시료를 주입 후, 이동시켜 분리, 분석하는 칩을 말한다. 플라스틱 마이크로 칩 제작방법에 다양한 시도가 이루어지고 있는데 초기에 사용된 유리나 석영뿐만 아니라, 최근에는 플라스틱을 이용한 제작방법이 활발하게 연구되고 있다. 특히 생물질을 다루는데 있어서 플라스틱은 석영이나 유리가 구비하지 못하는 생물질에 대한 친화성으로 인하여 그 중요성이 커지고 있다. 상기 플라스틱을 이용한 마이크로칩은 양각의 주형틀을 필요로 하는데 도1과 도2는 종래에 플라스틱 마이크로 칩의 양각 주형틀 방법을 도시한 것이다. The plastic microchip refers to a chip that forms a microchannel in a plastic having a size of several cm 2 and injects a sample by using an electrophoresis method or a pump, and then moves and separates and analyzes the sample. Various attempts have been made in the manufacturing method of plastic microchips. In addition to glass and quartz used in the early days, manufacturing methods using plastics have been actively studied recently. Especially in dealing with biomaterials, plastics are becoming more important due to their affinity for biomaterials that quartz or glass do not have. The microchip using the plastic requires an embossed mold. FIG. 1 and FIG. 2 show a conventional embossed mold of the plastic microchip.

도 1은 종래의 유리나 석영을 이용한 주형틀 제작방법의 순서도이다. 1 is a flow chart of a mold casting method using a conventional glass or quartz.

도 1에서 도시한 바와 같이, 원하는 마이크로 칩 채널 패턴을 포토마스크로 제작하고, 유리나 석영 기판에 포토레지스트를 스핀코팅하여 소프트 베이킹한 후 포토마스크와 포토레지스트가 코팅된 기판을 정렬하는 단계(1), 그 후 자외선에 일간 노출시키는 단계(2), 현상액으로 기판의 포토레지스트를 현상하는 단계(3), 그 후 불산으로 채널부분을 원하는 깊이만큼 에칭하는 단계(4)를 거치면 플라스틱 마이크로칩용 양각 주형틀이 완성된다. As shown in FIG. 1, a desired microchip channel pattern is fabricated as a photomask, spin-coated a photoresist on a glass or quartz substrate, and soft baked to align the photomask and the photoresist-coated substrate (1). And then (2) exposing it to ultraviolet rays daily (2), developing the photoresist of the substrate with a developer (3), and then etching the channel portion to the desired depth with hydrofluoric acid (4). The mold is completed.

도 2는 네가티브 포토레지스트인 SU-8을 이용한 주형틀을 제작하는 방법을 도시한 것이다. Figure 2 shows a method of manufacturing a template using a negative photoresist SU-8.

도 2에서 도시한 바와 같이, 원하는 마이크로 칩 채널 패턴을 포토마스크로 제작하고, 실리콘 웨이퍼에 네가티브 포토레지스트인 SU-8을 스핀 코팅하여 소프트 베이킹한 후 포토마스크와 포토레지스트가 코팅된 실리콘 웨이퍼를 정렬하는 단계(6), 자외선에 일정시간 노출하는 단계(7), 그 후 현상액으로 기판의 포토레지스트를 현상하는 단계(8)를 거치면 플라스틱 마이크로칩용 양각 주형틀이 완성된다. As shown in FIG. 2, a desired microchip channel pattern is fabricated as a photomask, and a soft wafer is spin-coated with a negative photoresist SU-8 on the silicon wafer, followed by aligning the photomask and the photoresist coated silicon wafer. Step (6), exposure to ultraviolet light for a predetermined time (7), and then developing the photoresist of the substrate with a developer (8) to complete the embossing mold for plastic microchips.

상기 종래의 발명들은 반도체 공정중 사진공정을 이용하는 까닭으로 장소 및 장비의 제약이 많다. 즉 크린룸 설치가 필요하고, 공정장비의 가격이 높기 때문에 연구의 제약이 있다. 또한 양각 주형틀 제작에 소요되는 시간이 최소 2일에서 3일정도 소요된다. The conventional inventions are limited in place and equipment due to the use of the photo process in the semiconductor process. In other words, there is a limitation of research because the clean room needs to be installed and the process equipment is expensive. Also, it takes at least 2 to 3 days for the embossed mold.

상기 유리나 석영을 이용한 주형틀 제작방법은 양각의 채널 모양이 등방성 모양을 나타내기 때문에 시료에 대한 분리능이 떨어지는 문제점을 가지며, 식각을 통해 양각을 형성하기 때문에 깨끗한 채널을 형성하지 못하고 거친 표면을 발생하여 시료에 대한 분리능을 떨어뜨리는 요인을 제공한다. 그리고 3차원 채널 형성이 불가하며, 화학약품이 유독성이어서 안전사고의 위험 및 환경오염에 영향을 준다. The method of manufacturing a mold using glass or quartz has a problem in that the resolution of the sample is inferior because the channel shape of the relief is isotropic. Provides a factor that degrades the resolution of the sample. In addition, it is impossible to form a three-dimensional channel, and chemicals are toxic, which affects the risk of safety accidents and environmental pollution.

상기 SU-8을 이용한 주형틀 제작방법은 제작시간이 길고, 주형틀의 수명이 20회정도로 짧으며, 소모 비용이 높다. 또한 양각채널이 약하기 때문에 다른 플라스틱 특히 경화된 후 강한 경도를 보이는 플라스틱에는 적용이 어려운 단점이 있다. The method of manufacturing a mold using the SU-8 has a long manufacturing time, a short life of the mold of about 20 times, and a high consumption cost. In addition, since the embossed channel is weak, it is difficult to apply to other plastics, especially plastics that exhibit strong hardness after curing.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 발명된 것으로써, 본 발명의 목적은 종래의 반도체 공정 중 사진공정을 이용하지 아니하고, 반도체 공정장비를 요구하지 않아 플라스틱 마이크로칩의 제조에 있어서 연구시간의 절감 및 비용절감을 제공하며, 생산 장소의 제약을 받지 않는 플라스틱 마이크로칩 제작용 주형틀을 제조하는 방법 및 상기 방법을 이용한 주형틀을 제공하기 위함이다. Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, and the object of the present invention is not to use the photolithography process in the conventional semiconductor process, and does not require the semiconductor processing equipment, research time in the manufacture of plastic microchips It is to provide a method of manufacturing a mold for producing a plastic microchip, and a mold using the method, which provides a reduction in cost and a cost reduction, and is not restricted by a production site.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 플라스틱 마이크로칩용 주형틀의 제조방법에 있어서 레이저가공방법을 이용하여 채널패턴을 가공한 메탈마스크를 제조하는 제1단계와 상기 메탈마스크상에 주형물질을 주입하고 경화시켜 양각틀을 제조하는 제2단계 그리고, 상기 양각틀을 상기 메탈마스크와 이형시키고, 이형된 양각틀 표면에 이형제를 코팅하는 제3단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라스틱 마이크로칩용 주형틀 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.In order to achieve the above object, the present invention provides a first step of manufacturing a metal mask processed by a channel pattern using a laser processing method and a molding material on the metal mask. And a second step of hardening to form an embossed mold, and a third step of releasing the embossed mold with the metal mask and coating a releasing agent on the surface of the embossed mold. And a manufacturing apparatus.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this embodiment is not intended to limit the scope of the present invention, but is presented by way of example only.

도 3은 본 발명인 플라스틱 마이크로칩용 주형틀 제조방법의 일실시예의 순서도이다. Figure 3 is a flow chart of one embodiment of a mold manufacturing method for a plastic microchip of the present invention.

본원발명은 도 3에 도시된 바와 같이 플라스틱 마이크로칩용 주형틀 및 제조방법에 있어서 일측면에 음각형상의 채널패턴을 가공한 메탈마스크를 제조하는 제1단계(101)와 상기 메탈마스크상에 주형물질을 주입하고 경화시켜 양각틀(204)을 제조하는 제2단계(102)와 상기 양각틀(204)을 상기 메탈마스크(201)와 이형시키고, 이형된 양각틀(204) 표면에 이형제를 코팅하는 제3단계(103)로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라스틱 마이크로칩용 주형틀 및 제조방법으로 이루어져있다.In the present invention, as shown in FIG. 3, in a mold and a manufacturing method for a plastic microchip, a first step 101 of manufacturing a metal mask processed with a negative channel pattern on one side and a mold material on the metal mask Injecting and curing the second step 102 to manufacture the embossed mold 204 and the embossed mold 204 with the metal mask 201, and the release agent is coated on the surface of the embossed mold 204 It consists of a mold and a manufacturing method for a plastic microchip, characterized in that the third step (103).

상기 제1단계(101)에서 패턴형상(202)은 메탈마스크 원판에 레이저 가공법에 의하여 형성된다. 본 레이저 가공법은 고속으로 가열하여 가공하므로 열변형층이 좁고, 아주 단단하거나 잘 깨어지기 쉬운 재료의 가공이 쉬우며, 비접촉식이므로 공구의 마모가 없는 등의 장점이 있다. In the first step 101, the pattern shape 202 is formed on the metal mask disc by laser processing. Since the laser processing method is heated and processed at high speed, the thermal deformation layer is narrow, the processing of very hard or brittle materials is easy, and the non-contact type has no advantages such as no tool wear.

또한, 복잡한 모양의 부품을 미세하게 가공할 수 있으며, 작업시 소음과 진동이 없고 작업환경이 깨끗하다는 장점이 있다.In addition, it can be finely processed parts of a complex shape, there is an advantage that there is no noise and vibration when working and clean working environment.

이는 종래의 유리나 석영을 이용한 주형틀 제작방법은 가공과정의 제한에 따라 패턴형상이 등방성 형상인 까닭으로 채널중심과 가장자리 부분의 거리의 차이가 존재하여 시료의 확산이 불균일 하게 되어 원통형에 비해 분리능이 떨어지는 경향을 가진다. This is because the conventional mold casting method using glass or quartz has an isotropic pattern due to the limitation of the processing process, so there is a difference in distance between the center of the channel and the edge part, resulting in uneven diffusion of the sample, resulting in higher resolution than the cylindrical shape. Tend to fall.

그러나, 도 4에서 도시된 바와 같이 본원발명에서는 레이저 가공에 의하여 다양한 형태의 주형패턴(202)의 제조가 용이하여 채널중심과 가장자리 부분의 거리의 차이를 최소화하는 패턴을 제조하여 분리능의 향상을 기대할 수 있다. However, as shown in FIG. 4, in the present invention, it is easy to manufacture various types of mold patterns 202 by laser processing, and thus, a pattern for minimizing the difference between the distance between the center and the edge of the channel may be manufactured to improve the resolution. Can be.

상기 제 2단계(102)에서는 상기 메탈마스크(201) 상에 PDMS(polydimethylsiloxane)(203)를 주입하고 경화시킨 후 메탈마스크(201)와 이형시켜 양각틀(204)을 제조한다. In the second step 102, a polydimethylsiloxane (PDMS) 203 is injected into the metal mask 201 and cured, and then the mold 204 is manufactured by releasing with the metal mask 201.

도 5에서 도시된바와 같이 상기 PDMS(203)를 메탈마스크(201)의 상부에 주입하고, 진공을 걸어 PDMS(203)에서 기포를 모두 뽑아낸 후 70℃ 오븐에서 2시간 정도 두면 고형화 된다. 상기 PDMS는 탄력성이 뛰어난 silicon계의 고분자 물질로서 고분자 물질 중 마이크로 칩 제작에 가장 많이 사용되는 대표적인 물질이다. PDMS는 화학적으로 매우 안정해 접촉한 다른 물질과 서로 반응하지 않고, 매우 균일한 구조를 가지고 있으며 광학적 성질도 우수하여 300nm의 빛에 대한 투과성을 가지는 것으로 알려져 있다. 마이크로 패턴을 제작하였을 때의 기계적 강도 또한 우수하여 PDMS를 이용해 stamp를 제작할 경우 수 개월동안 안정적으로 사용할 수 있다. As shown in FIG. 5, the PDMS 203 is injected into the upper portion of the metal mask 201, the vacuum is removed, and all the bubbles are extracted from the PDMS 203, which is then solidified by leaving it in an oven at 70 ° C. for about 2 hours. The PDMS is a silicon-based polymer material having excellent elasticity and is a representative material that is most used for manufacturing microchips among polymer materials. PDMS is chemically very stable, does not react with other materials in contact with each other, has a very uniform structure, and has excellent optical properties. The mechanical strength of the micro pattern is also excellent, so it can be used stably for several months when the stamp is manufactured using PDMS.

또한 산소 조건에서 플라즈마를 이용해 표면을 처리하면 PDMS의 표면은 산화가 되는데, 이러한 성질을 이용하여 PDMS끼리의 접합이나 표면에서의 화학 반응을 이용한 자기박막(self-assembled monolayers)을 만들 수 있다. In addition, the surface of the PDMS is oxidized when the surface is treated with plasma under oxygen conditions. This property can be used to make self-assembled monolayers by bonding PDMS or chemical reactions on the surface.

상기 제 3단계에서는 도 6에서 도시한 바와 같이 상기 경화된 PDMS(203)를 상기 메탈마스크(201)와 이형시켜 양각틀(204)을 제조한다.In the third step, as shown in FIG. 6, the cured PDMS 203 is released from the metal mask 201 to manufacture an embossed frame 204.

그 후, 도 7에 도시한바와 같이 이형된 양각틀(204) 표면에 C4F8(205)를 코팅하여 플라스틱 마이크로칩용 주형틀을 제조한다. 상기 코팅제인 C4F8(205)는 화학적으로 매우 안정하여 다른 물질과 반응하지 않아서 코팅시 PDMS에 계면을 형성한다.Thereafter, the C 4 F 8 205 is coated on the surface of the embossed mold 204 as shown in FIG. 7 to manufacture a mold for a plastic microchip. The coating agent C 4 F 8 205 is chemically very stable and does not react with other materials to form an interface in PDMS upon coating.

본 발명은 종래의 반도체 공정 중 사진공정을 이용하지 아니하고, 반도체 공정장비를 요구하지 않아 마이크로칩의 제조에 있어서 연구시간의 절감 및 비용절감을 제공하며, 생산 장소의 제약을 받지 않고 마이크로칩 제작용 주형틀을 제조할 수 있다. 그리고 3차원 채널구조 및 다양한 모양의 채널형태를 구현하기 용이하여 마이크로칩 제작이외에 MEMS(MicroElectroMechanical Syetem)분야의 연구 특히 초소형 소자 및 부품제작에도 응용이 가능하다. 또한 플라스틱 마이크로 칩의 대량생산에있어 제작시간의 절감 및 비용의 절감효과를 가져올 수 있어 연구자들에게 저렴한 플라스틱 마이크로 칩을 제공할 수 있다.  The present invention does not use the photolithography process of the conventional semiconductor process, does not require the semiconductor processing equipment provides a reduction in research time and cost in the manufacture of microchips, and for manufacturing microchips without being constrained by the production site The mold can be produced. In addition, it is easy to implement a three-dimensional channel structure and a channel shape of various shapes, so that it can be applied to research in the field of microelectromechanical systems (MEMS) in addition to the manufacture of microchips, especially in the manufacture of micro devices and components. In addition, the mass production of plastic microchips can reduce the production time and cost, thereby providing researchers with inexpensive plastic microchips.

도 1은 종래의 유리나 석영을 이용한 주형틀 제작방법의 순서도1 is a flow chart of a mold casting method using a conventional glass or quartz

도 2는 종래의 네가티브 포토레지스트인 SU-8을 이용한 주형틀을 제작하는 방법의 순서도.Figure 2 is a flow chart of a method for manufacturing a mold using a conventional negative photoresist SU-8.

도 3은 본원 발명인 플라스틱 마이크로칩용 주형틀을 제조방법의 순서도. Figure 3 is a flow chart of the method for producing a mold for a plastic microchip of the present invention.

도 4는 메탈마스크 원판의 측면도.4 is a side view of a metal mask disc;

도 5는 레이저가공방법을 이용하여 채널패턴을 형성한 메탈마스크의 단면도.5 is a cross-sectional view of a metal mask on which a channel pattern is formed using a laser processing method.

도 6는 주형물질을 주입한 후 메탈마스크의 단면도. 6 is a cross-sectional view of the metal mask after the injection of the mold material.

도 7은 양각틀과 메탈마스크를 분리한 상태의 단면도.7 is a cross-sectional view of the relief frame and the metal mask separated state.

도 8은 상기 양각틀의 표면에 이형제를 코팅한 상태의 단면도.8 is a cross-sectional view of a state in which a release agent is coated on the surface of the relief frame.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on main parts of drawing

201 : 메탈마스크 202 : 패턴 형상201: metal mask 202: pattern shape

203 : PDMS(polydimethylsiloxane) 204 : 양각틀203: PDMS (polydimethylsiloxane) 204: embossed frame

205 : C4F8 205: C 4 F 8

Claims (8)

플라스틱 마이크로칩용 주형틀의 제조방법에 있어서, In the manufacturing method of the mold for plastic microchip, 일측면에 음각형상의 채널패턴을 가공한 메탈마스크를 제조하는 제1단계; A first step of manufacturing a metal mask having a recessed channel pattern on one side; 상기 메탈마스크 상에 주형물질을 주입하고 경화시켜 양각틀을 제조하는 제2단계; A second step of preparing an embossed mold by injecting and curing a mold material on the metal mask; 상기 양각틀을 상기 메탈마스크와 이형시키고, 이형된 양각틀 표면에 이형제를 코팅하는 제3단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라스틱 마이크로칩용 주형틀 제조방법. And mold release the embossed mold with the metal mask, and coating a release agent on the surface of the embossed mold. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 채널 패턴은 레이저 가공법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 마이크로칩용 주형틀 제조방법. The channel pattern is a mold for manufacturing a plastic microchip, characterized in that formed using a laser processing method. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 주형물질은 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 주입하고 경화시키는 것을 특징으로 하는 플라스틱 마이크로 칩용 주형틀 제조방법.The mold material is a mold manufacturing method for a plastic microchip, characterized in that the injection and curing PDMS (Polydimethylsiloxane). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이형제는 C4F8를 코팅하는 것에 사용하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 마이크로칩용 주형틀 제조방법.The mold release agent for producing a plastic microchip, characterized in that used for coating the C 4 F 8 . 플라스틱 마이크로칩용 주형틀에 있어서,In the mold for plastic microchips, 일측면에 음각형상의 채널패턴을 형성한 메탈마스크와;A metal mask having a concave channel pattern formed on one side thereof; 상기 메탈마스크 상에 주형물질을 주입하고 경화시켜 형성된 양각틀과;An embossed frame formed by injecting and curing a mold material on the metal mask; 상기 양각틀을 상기 메탈마스크와 이형시키고, 이형된 양각틀 표면에 코팅되는 이형제를 포함하는 플라스틱 마이크로칩용 주형틀.A mold for plastic microchips, comprising: releasing the embossed mold with the metal mask and a release agent coated on the surface of the embossed mold. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 채널패턴은 레이저로 형성하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 마이크로칩용 주형틀. The channel pattern is a mold for plastic microchips, characterized in that formed by a laser. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 주형물질은 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 주입하고 경화시키는 것을 특징으로 하는 플라스틱 마이크로 칩용 주형틀.The mold material is a mold for plastic microchips, characterized in that the injection and curing of PDMS (Polydimethylsiloxane). 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 이형제는 C4F8인것을 특징으로 하는 플라스틱 마이크로칩용 주형틀.The mold release agent for a plastic microchip, characterized in that the release agent is C 4 F 8 .
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